一道數(shù)學(xué)文化試題及其變式賞析

☉湖北省襄陽(yáng)市第一中學(xué) 王 勇

我國(guó)南宋著名數(shù)學(xué)家秦九韶（約1202-1261）的著作《數(shù)書九章》卷五“田域類”中有一題：“問(wèn)有沙田一段，有三斜.其小斜一十三里，中斜一十四里，大斜一十五里，里法三百步.欲知為田幾何.”該題就是已知三角形的三邊長(zhǎng)，求三角形的面積《.數(shù)書九章》給出的解法是：“以小斜冪并大斜冪減中斜冪，余半之，自乘于上.以小斜冪乘大斜冪減上，余四約之，為實(shí).一為從隅，開(kāi)平方得積.”寫成公式形式就是△ABC的面積其中△ABC的三邊分別為a，b，c，且a>b>c.這個(gè)公式中的三斜具有“對(duì)稱性”，a，b，c只要分別表示三角形的三邊即可，不一定專指大斜、中斜與小斜.

下面給出一道以此為背景的數(shù)學(xué)文化題及其若干變式題，供同行們品味其中的韻味.

問(wèn)題（2018·石家莊市模擬題）南宋數(shù)學(xué)家秦九韶早在《數(shù)書九章》中就提出了已知三角形的三邊求其面積的公式“：以小斜冪，并大斜冪，減中斜冪，余半之，自乘于上.以小斜冪乘大斜冪，減上，余四約之，為實(shí).一為從隅，開(kāi)平方得積.”（即△ABC的面積其中△ABC的三邊分別為a，b，c，且a＞b＞c）并舉例“問(wèn)沙田一段，有三斜，其小斜一十三里，中斜一十四里，大斜一十五里，里法三百步.欲知為田幾何？”則該三角形沙田的面積為（ ）.

A.82平方里 B.83平方里

C.84平方里 D.85平方里

分析：認(rèn)真閱讀弄懂題意，直接代入“三斜求積”公式計(jì)算即得.

解：由題意知三角形沙田的三邊長(zhǎng)分別為13里、14里、15里，代入三角形的面積公式可得三角形沙田的面積=84（平方里）.故選C.

變式1：（2018·武漢市調(diào)考題）（背景材料及公式同問(wèn)題）.若a2sinC=4sinA，（a+c）2=12+b2，則用“三斜求積”公式求得△ABC的面積為（ ）.

分析：由a2sinC=4sinA及正弦定理（化角為邊）可得ac=4，由（a+c）2=12+b2可得a2+c2-b2=4，整體代入“三斜求積”公式計(jì)算即得，與問(wèn)題相比，難度略增.

解：根據(jù)正弦定理，由a2sinC=4sinA，得ac=4.

再結(jié)合（a+c）2=12+b2，得a2+c2-b2=4，

故選A.

變式2：（2018·南寧市模擬題）（背景材料及公式同問(wèn)題）.若a2sinC=24sinA，a（sinC-sinB）（c+b）=（27-a2）·sinA，則用“三斜求積”公式求得的S=（ ）.

分析：由a2sinC=24sinA及正弦定理（化角為邊）可得ac=24，由a（sinC-sinB）（c+b）=（27-a2）sinA及正弦定理（化角為邊）可得a2+c2-b2=27，整體代入“三斜求積”公式計(jì)算即得，與變式1相比，難度略增.

解：根據(jù)正弦定理及a2sinC=24sinA，得a2c=24a，即ac=24.根據(jù)正弦定理及a（sinC-sinB）（c+b）=（27-a2）sinA，得a（c-b）（c+b）=（27-a2）a，即a2+c2-b2=27，

變式3：（2018·益陽(yáng)市、湘潭市調(diào)考題）（背景材料及公式同問(wèn)題）.現(xiàn)有周長(zhǎng)為的△ABC滿足sinA∶sinB∶sinC=（-1）（∶+1），用上面給出的公式求得△ABC的面積為（ ）.

分析：由sinA∶sinB∶sinC=（+1）及正弦定理可得a∶b∶c=（+1），結(jié)合三角形的周長(zhǎng)可求出三角形的三邊，再代入“三斜求積”公式計(jì)算即得，與變式2相比，難度又增.

變式4：（2018·濟(jì)南市模擬題）若一個(gè)三角形的三邊長(zhǎng)分別為a，b，c，設(shè)，則該三角形的面積S=，此公式也被稱為海倫——秦九韶公式，之所以用我國(guó)古代數(shù)學(xué)家秦九韶的名字命名，原因在于秦九韶曾提出“三斜求積術(shù)”，即三角形的面積，該公式的本質(zhì)與海倫——秦九韶公式相同，現(xiàn)有一個(gè)三角形其周長(zhǎng)為16，且其中一邊長(zhǎng)為6，則此三角形的面積的最大值為（ ）.

A.10 B.12 C.14 D.8

分析：鑒于“三斜求積”公式與海倫公式是完全等價(jià)的，本題利用海倫公式及基本不等式求解更方便快捷.

解：設(shè)三角形的三條邊長(zhǎng)分別為a，b，c，由題意，不妨設(shè)c=6，則a+b=10，所以S=4×當(dāng)且僅當(dāng)8-a=8-b，即a=b=5時(shí)，此三角形的面積最大，最大值為12，故選B.

變式5：（2018·襄陽(yáng)市調(diào)考題）（背景材料及公式同變式4）.在△ABC中，三個(gè)內(nèi)角A，B，C所對(duì)的邊分別為a，b，c，已知a=6，c=2b，則其面積取最大值時(shí)，sinA=（ ）.

分析：本題用海倫公式及二次函數(shù)知識(shí)進(jìn)行求解，注意三角形面積公式bcsinA的靈活應(yīng)用.

解：因?yàn)閍=6，c=2b，設(shè)b=x，則c=2x，可得（a+b+c）=. 所 以由三角形三邊關(guān)系有：x+2x＞6，且x+6＞2x，解得2＜x＜6，故當(dāng)x=時(shí)，S取得最大值12.由sinA=12，解得sin.故選C.

變式6：（2018·深圳市調(diào)考題）（背景材料及公式同問(wèn)題）.若b=2，且tan，則△ABC的面積S的最大值為_(kāi)_____.

分析：本題由三角恒等變換得到sinC=sinA，進(jìn)而由正弦定理得到a是解決問(wèn)題的關(guān)鍵.注意到b=2，代入“三斜求積”公式后利用二次函數(shù)知識(shí)即可求得三角形面積的最大值，與上述各變式相比，難度明顯增大.

以上各例取材于教材中出現(xiàn)的“三斜求積”公式及海倫公式，考查了運(yùn)算求解能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，考查了轉(zhuǎn)化與化歸思想，同時(shí)也傳播了中華優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化.